雷达钛合金天线骨架焊接工艺研究

国营第零八七一总厂 （安徽六安 237010） 过石正

1. 概述

某雷达天线外形尺寸为12 000mm×5000mm（长×宽），是一个由壁厚3～6mm钛合金管材经焊接成桁架结构的大型受力件，分五块拼装成形。为减轻该雷达天线的重量，满足其快速架设的机动性指标，提高该产品的抗腐蚀性能，其天线骨架采用了钛合金管材、板材经焊接成一体的结构形式。由于天线骨架需要承受十二级的风载荷以及天线的重力、天线转动的惯性力等，因此如何解决好钛合金的焊接是天线骨架能否成功的关键。

2. 钛合金焊接难点

钛合金的焊接一直是焊接工艺上的难题，这是由于以下原因使得钛材的焊接产生了很多困难。

（1）钛材化学活性大，不仅在熔化状态下，即使在400℃以上的高温固态下，也极易被空气、潮湿、油脂、氧化膜等污染，吸收氧、氮、氢、碳等杂质，使焊接接头的塑性和韧性显著降低，并极易引起气孔。因此，焊接时不仅要保护熔池、焊缝，同时对焊接部位附近温度≥400℃的部位均需保护。

（2）由于钛的熔点高、热容量大、导热性差，焊接接头易产生晶粒长大的倾向，从而引起接头塑性降低，因此对焊接的热输入要严格控制。另外，采用小电流、快速焊接的方法。

（3）焊接时由于在氢和焊接残余应力的作用下，钛材易导致冷裂纹，所以要控制焊接接头的含氢量。另外，对复杂的焊接结构，需要在焊后进行消除应力处理。

（4）钛的弹性模量是钢的一半，因此焊接变形大，校正变形将相当困难。

3. 焊接钛合金天线骨架特点

针对上述焊接难点，以往钛材是将工件置于真空充氮气的炉内进行焊接，显然此焊接工艺方法的生产成本高、效率低，实用性受限制，特别是当天线骨架单块外形尺寸在4719mm×1920mm×2034mm(长×宽×高)时的空间桁架结构件（见图1）。五块天线骨架经装配后外形尺寸为12 000mm×5000mm×3500mm(长×宽×高)的大型结构件。这时由于工件尺寸太大，无法进真空炉内焊接，如在大气环境中进行焊接，又极易因焊接开裂等缺陷而报废。

图1 某雷达天线骨架左一段

由于天线骨架需要承受十二级的风载荷以及天线自身的重力、天线转动惯性力等的综合作用，天线骨架焊缝的连接强度σs≥490MP，所以对焊接工艺提出了很高的要求，其焊接质量直接关系到产品和人身的安全性。

4. 焊接工艺

经大量工艺研究与试验，并经方案评审与工艺确认后，形成了一种针对大型钛材结构件进行氩气保护的特种焊接工艺方法，其主要工艺技术如下。

（1）焊接设备 焊接设备：YC—300WX或YC—500WXⅡ交直流氩弧焊机，包括电源、控制箱、供气供水系统。辅助设备：焊接十字平板、移动水箱、专用工装。其他：防护面罩、喷嘴、钨电极焊枪。

（2）特殊表面处理 焊前两天内进行酸洗，配方如下：250mL/L HCl ，50g/L NaF，700gH2O。焊件在此溶液中浸泡15min，然后用流动水彻底冲洗干净，低温100℃烘干1h，使金属表面呈全光亮银白色。

（3）钨极装夹及伸出长度 焊接中应使钨极处于整个喷嘴中心，不得偏斜，伸出长度适宜为5mm，钨极头部应磨成圆锥形，以使电弧燃烧集中、稳定。

（4）特殊的气体保护 采取一边焊接一边手持喷枪射喷氩气的保护方法，一人用焊枪焊完长30mm左右的焊缝后，然后由另一人向焊区及过热区连续吹氩气，并密切观察焊缝的颜色。焊缝颜色是焊区温度的另一种表现特征，待焊件冷却到350℃以下时才可停止氩气保护，一边焊接一边氩气保护，不断循环。焊接时不仅要用氩气保护熔池、焊缝，同时还要对焊接区域附近≥350℃的部位均采取措施给予喷射氩气保护，一边施焊一边保护的示意如图2所示。这是一种特殊的气体保护措施，也是焊接能否成功的关键所在。

图2 一边施焊一边气体保护方法

（5）焊接热输入 在保证焊缝充分焊透的条件下，选取小电流快速低热输入的焊接工艺方法，对于壁厚3～6mm管材，焊接电流取90A，以降低焊接区的温度，焊接速度取15cm/min，这样才能防止焊接接头产生晶粒长大的倾向，同时又要保证焊缝的填实填满，可靠地保证焊缝质量。

（6）氩气流量参数 要选取合适的氩气流量，氩气流量太小，易受外来空气的干扰；反之，氩气流量过大，易产生紊流，最佳的流量在试验中为18L/min，比焊接铝合金材料大20%。

（7）喷嘴与焊件距离 应尽可能地缩短喷嘴与焊件的距离，为操作方便适宜取5mm。增大喷嘴直径能增大保护区域，但过大会妨碍操作，宜取14mm，有些特殊位置如小角度处可以取8 mm。

（8）焊枪、焊件、焊丝间角度 采用短弧焊技术，并保持电弧的长度不变，焊枪、焊件、焊丝三者间的角度应正确，否则也很难得到理想的焊接效果。经大量的焊接试验后得到焊枪、工件、焊条三者间的最佳角度，如图3所示。

图3 焊枪、工件、焊条三者间最佳角度示意

（9）氩气保护区域与时间 焊前先对工件的焊接区域通氩气25s，以使焊接区域内充满氩气，同样，在焊完且断弧后要继续通氩气保护，一般为35 s，直到焊件冷却到350℃以下，否则将减弱氩气的保护作用。

（10）焊接环境 ①焊接现场，包括专用工装、通用工装、焊件、焊枪、焊丝、工作场所均要保持清洁、干燥，无灰尘、油污、汗迹等，焊前均需清洗处理，不得用裸手直接接触待焊部位。②施工环境温度≥10℃，湿度≤70%。③施焊区域绝对禁止水或水汽渗入，不得有流动风。④当已组装完成但来不及施焊的组件，应对焊接部位进行覆盖保护，严禁落入灰尘或用手抚摸，并在焊接前对焊接部位再清洁一次。

（11）焊缝质量检测 ①观察焊缝外观颜色来判别焊缝质量：焊缝外观颜色从银白色、淡黄色、金黄色、淡蓝色、深蓝色、直至灰色，焊缝的污染将加剧。焊缝外观颜色是银白色为优良；银白色为主带少量淡黄色、金黄色或淡蓝色为合格，否则为不合格。②外观宏观检测：主要借助眼睛、放大镜等观察焊缝，以检查焊缝外部缺陷，如未焊透、焊瘤、烧穿、弧坑、表面裂纹及气孔。焊缝不允许有裂纹、烧穿、未焊透、焊瘤及弧坑缺陷。③外观尺寸检测：借助测量工具测量焊件尺寸、形位公差。判定合格与否的依据是图样、工艺文件。④气密性检测：焊件内部充0.3MPa气压，表面涂肥皂水，或浸入水池中，观察有无汽泡产生。判定合格的标准是充气压后保证密封。⑤无损探伤检测：用超声波检测，以检测内部气孔、裂纹、夹渣、未焊透等缺陷符合图样工艺文件要求。焊缝内部不允许有裂纹、未焊透缺陷。

（12）焊后应力处理 对复杂的焊接结构件在焊后应进行去应力处理，一般用振动时效消除焊接应力，而不宜对焊件进行火焰或炉内退火。

5. 结语

用特殊的钨极氩弧焊工艺方法来焊接某雷达钛材天线大型骨架，经试样拉伸测试其焊缝的抗拉强度σs≥535MPa，实现焊缝的连接强度与钛母材等强度的要求，同时焊缝经X射线探伤检测，焊缝外观与内在质量均为Ⅰ级，焊缝经充气检测达到气密封要求，尺寸、形位公差符合图样要求。

此焊接工艺方法不仅已成功应用于某雷达天线骨架上的多个批次，而且该雷达多年架设在沿海大风、盐雾恶劣的环境中，由此证实此焊接工艺技术的可行性与实用性。